（计算机应用技术专业论文）数控设备产品质量监控系统设计.pdf

摘要 数控设备是当今加工制造业中使用最为广泛的设备，但大多数都还停留在单 机运行、分散管理的层面，无法进行集中监控，造成大量人力资源和固定资产投 资的浪费，更不利于生产质量管理。针对上述现状，结合湖南机油泵股份有限公 司自身的实际情况，论文提出了对数控机床进行生产质量监控的系统解决方案。 论文首先介绍了数控机床生产及监控系统的现状，并在对企业实际生产车间 系统进行需求分析的基础上，本系统将工厂内所有的相关设备连接成一个整体， 设计了适合数控机床生产过程的、多层次的系统架构，将其划分为现场设备层、 车间层和厂层三个层次。在各层的连接中，选择工业以太网方式，构建网络与监 控系统通讯。在功能设计中，现场设备层完成现场数据的传输，车间层完成数据 的采集、存储、控制命令的生成、生产过程的数据分析、加工程序的传输等，厂 层实现生产质量相关数据、设备使用情况等相关数据的分析。在系统的实现上， 采用d e l p l l i 作为程序的开发工具编码完成。 系统在湖南机油泵股份有限公司得到了实际应用。运行结果表明，系统具有 安全、稳定等优点，系统投入运行后提高了企业的自动化程度，大大减轻了工人 的劳动强度，提高了数控设备的生产效率，实现了产品的质量监控和趋势分析， 创造了显著的经济效益。 关键词数控机床，工业以太网，质量控制 a bs t r a c t c n c e q u i p m e n ti sw i d e l yu s e di np r o c e s s i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，b u t m o s ta r es t i l ls t u c ki ns t a n d - a l o n eo p e r m i o n ，d e c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t ， a n dc a nn o tb ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gn o w a d a y s t h e r e f o r e ，i tw a s t e sa l o to fh u m a nr e s o u r c e sa n df i x e da s s e t si n v e s t m e n t ，b u ta l s od o e s n t c o n d u c i v et ot h eq u a l i t ym a n a g e m e n ti np r o d u c t i o n i nr e s p o n s et ot h e a b o v e ，c o m b i n e dw i t ht h er e a l i t yo fh u n a no i lp u m pc o ，l t d ，t h i sp a p e r m a i n l yd i s c u s s e st h es o l u t i o n sf o rt h ep r o d u c t i o nq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m b yc n cm a c h i n et o o l s ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o d u c tq u a l i t yc o n t r o la n d t r e n da n a l y s i s ，i nw h i c hc a s ei ti n c r e a s e st h ep r o d u c t i v i t yo fm a c h i n e t o o l s t h i s p a p e r f i r s ti n t r o d u c e dc n cm a c h i n et o o l p r o d u c t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e ms t a t u s ，a n dg i v e st h ea n a l y s i so nt h en e e d so fa c t u a l p r o d u c t i o n - t o - b u s i n e s ss y s t e mw o r k s h o p t h es y s t e mn o to n l yc o n n e c t s a l lt h er e l a t e de q u i p m e n t st o g e t h e r , b u ta l s og i v e sas u i t a b l ed e s i g no f c n cm a c h i n et o o l sf o rt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dam u l t i l a y e r e ds y s t e m i ta l s oi n c l u d e st h r e ep a r t i t i o n s ：f i e l da p p a r a t u s ，w o r k s h o pa n df a c t o r y i n e a c hc o n n e c t i o n ，w ee s t a b l i s ht h en e t w o r k ，a n dc o m m u n i c a t i o nm o n i t o r s y s t e mb yu s i n gt h ei n d u s t r i a le t h e r n e t i nt h ef u n c t i o n a ld e s i g n ，f i e l d a p p a r a t u sw i l lc o m p l e t et h et r a n s m i s s i o no fd a t a ，w o r k s h o pw i l lc o m p l e t e t h ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，c o n t r o lc o m m a n d ，d a t aa n a l y s i s a n dp r o c e s s o rt r a n s m i s s i o n t h ef a c t o r yw o u l db ea b l et om o n i t o rt h e q u a l o t yo fp r o d u c t sa n dt h eu s a g eo fq u i p m e n t s o nt h i sb a s i s ，d e l p h i c o u l db eu s e da sad e v e l o p m e n tt o o lc o d i n gp r o c e d u r e so ft h es y s t e m i m p l e m e n t a t i o n s y s t e mi n h u n a no i lp u m pc o ，l t d h a sb e e nu s e di np r a c t i c e r u n n i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mh a st h ea d v a n t a g e si ns e c u r i t y , s t a b i l i t y , e t c t h ee n t e r p r i s ei m p r o v e st h eq u a l i t yo fa u t o m a t i o n ，g r e a t l y r e d u c e st h el a b o ri n t e n s i t y , i m p r o v e st h ep r o d u c t i v i t yo fc n ce q u i p m e n t ， i m p l e m e n tt h ep r o d u c tq u a l i t yc o n t r o l ，c r e a t e sas i g n i f i c a n te c o n o m i c c a l b e n e f i t sa f t e ro p r a t e i n gt h es y s t e m k e yw o r d s ：c n cm a c h i n et o o l s ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，q u a li t y c o n t r o l i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：二鞋日期：丝当l 年鱼月鲨日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：上哗年上月埘 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 在当今世界上，高度发达的制造业和先进的制造技术已经成为衡量一个国家 综合经济实力和科技水平的最重要标志之一，成为一个国家在竞争激烈的国际市 场上获胜的关键因素。目前，中国制造业已跻身世界第四位，中国己成为制造业 大国，但尚不是制造业强国。中共十六大明确提出：“用高新技术和先进适用技 术改造传统产业，大力振兴装备制造业 。当前，要从制造大国走向制造强国， 必须优先发展先进制造业l l j 。 制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今 先进制造技术和装备最核心的技术。这就要求，必须大力发展以数控技术为主的 先进制造技术，提高模具设计制造水平，提升计算机辅助设计与制造的技术水平。 在当前的产业市场，产品以市场需求为中心、用户为主导，产品的需求以多品种 变批量为主流，而且日益呈现多样化和个性化，数控机床的应用不仅可以提高企 业的应变能力，还可以降低加工成本【2 】，并且数控机床具有加工精度高、生产效 率高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益好的优点，因此数控机 床成为了加工制造业中使用最广泛的设备【3 j 。 我国目前拥有相当数量的数控车间或数控机床与普通机床共存的混合车间。 这些车间的数控机床或加工中心投资巨大，机床的单日折旧成本很高，但由于生 产任务不饱满等原因，造成这些昂贵的设备得不到充分利用，甚至闲置，使企业 的投资回报率较低【4 1 。因此，如何提高数控机床的生产效率，充分扩充生产能力， 已成为企业盈利的主要矛盾【5 】。本文针对湖南机油泵股份有限公司的加工中心车 间，进行数控设备质量监控系统的设计与应用研究。本章简要介绍了课题研究背 景与国内外研究现状，并提出课题研究目标。 1 2 研究背景及意义 数控机床是用数字信息进行控制的机床。它用数字代码将刀具相对工件移动 的轨迹、速度等信息记录在程序介质上，送入数控系统，然后经过译码和运算， 控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件。 在进行零件加工之前，首先要分析零件图纸，拟订零件加工工艺方案，明确 加工工艺参数；然后按数控系统的编程规则编制数控加工程序，通过数控系统操 中南大学硕士学位论文第一章绪论 作面板上的操作按键将数控加工程序输入到机床数控系统中；经检查无误后，即 可启动机床，运行数控加工程序；此时，数控系统就会根据数控加工程序发出的 各种控制指令，控制机床自动加工。如果不出现故障，直到加工程序运行结束， 零件加工完毕为止，即可加工出符合零件图纸要求的零件。 正因为数控机床具有了以下特点，因此在机械行业中得到了曰益广泛的应 用： 1 适应性强：即所谓的柔性，指数控机床随生产对象变化而变化的适应能 力。在数控机床上进行产品加工，当产品改变时，仅仅需要改变数控设备的输入 程序就能适应新产品的生产需要，而不需要改变机械部分和控制部分的硬件，而 且生产过程是自动完成的。 2 能实现复杂的运动：数控机床可以实现几乎是任意轨迹运动和任何形状 的空间曲面，适用于复杂异形零件的加工。 3 加工精度高，产品质量稳定：数控机床是按照预定程序自动工作的，一 般情况下工作过程不需要人工干预，消除了操作者人为产生的误差。通过制造设 备主机时采取的提高机械部分精度的措施，并且通过实时检测反馈修正误差或补 偿来获得更高精度，使得数控机床的产品质量获得稳定的控制。 4 生产效率高：数控机床具有较高的刚性，可采用较大的切削用量，有效 地减少了加工中的切削时间；具有自动变速、自动换刀和其他辅助操作自动化等 功能，而且无需工序间的检验与测量，使辅助时间大为缩短；工序集中、一机多 用的数控加工中心，在一次装夹工件后几乎可以完成零件的全部加工，不仅可减 少装夹误差，还可减少半成品的周转时间，生产效率的提高更为明显。 5 减轻劳动强度，改善劳动条件：数控机床的工作是按预先编制好的加工 程序自动连续完成的，操作者除输入加工程序及相关的操作之外，不需进行繁重 的重复手工操作，劳动条件和劳动强度大为改善。 6 有利于科学的生产管理：采用数控机床能准确地计算产品生产的工时， 并有效地简化检验、工夹具和半成品的管理工作。数控机床采用标准的信息代码 输入，有利于与计算机联接，构成由计算机控制和管理的生产系统，实现制造和 生产管理的自动化【6 j 。 开发适合数控机床生产过程的质量监控系统，实时反映设备生产状态，对于 提高设备的生产效率，保证设备的稳定运行具有重大意义。在现场实时采集设备 的运行状态数据，上传至车间工控机进行统计并绘制相应图表，可以为车间管理 人员统计设备的产能和停机率，同时为车间技术人员完成加工程序的上传、下载， 根据车间工控机提供的相关数据，对与质量有关的信息进行统计并绘制相应图 表，可以为厂级管理人员提供全厂生产设备与质量有关的统计结果与趋势图，为 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用户提供生产情况的总体认识。数控设备质量监控系统的建立，能够提高企业竞 争力，实现可持续发展，为生产创造更大的经济效益。 目前湖南机油泵股份有限公司的加工中心车间中，各个设备的工作状态不能 实时地进行统计和分析，企业难以及时准确地评估当前设备的生产状态，亦不能 及时地作出生产任务的调整。本文针对该公司所存在的实际问题，设计了数控设 备质量监控系统并投入应用，保证了n i 中心的稳定运行，提高了设备的使用效 率，增加了企业的经济效益。 1 3 国内外研究现状 目前，各企业使用的加工中心、数控铣床、数控磨床等成套成型产品不下 2 0 0 种，加上自我研发的各种数控量仪、测量台等更是数不胜数。绝大部分的设 备采用的都是自主产权的控制系统，i o 接口也是各自定义的，即使是同一厂商 的产品也会因生产先后存在很大的差异。所以在企业的生产环境中，一般一台数 控设备就是一个独立的生产单位，再添加一个工程师机，形成多个孤立的生产、 维护班组，这样既影响了产能产量的提高，又不利于生产质量管理，还造成了人 力资源和固定资产投资的浪费。从使用情况来看，数控机床的维修率也仍然居高 不下，就连美国等使用情况较好的国家，其平均无故障时间也就六成左右，即有 四成左右的时间是维修或闲置1 6 j 。 虽然许多c n c 系统生产厂家目前都能提供计算机n c 程序服务功能，但仅限 于自己的c n c 系统，互相之间并不通用。同时，随着市场经济和企业信息化的发 展，企业数控机床的数量越来越多，而传统的单机管理模式因技术手段落后、生 产效率低、管理与维护费用高昂等弊端已不能适应企业发展的需要，再加上用户 使用了多种信息管理系统，如e r p ，p d m ，c r m ，c a d c a p p c a m 等，各种系统之间 还必须考虑信息共享，以避免信息化孤岛【7 l 。因此，使用集成的技术对数控设备 群进行管理势在必行。目前数控机床网络主要采取三种形式的网络接口：基于串 行通讯r s - 2 3 2 c 模式、以太网络模式、现场总线模式【8 】。三者侧重点各有不同， 也各有利弊。 开发适合数控机床生产过程的质量监控系统，实现对数控机床生产数据的及 时统计和分析，从而为管理者提供全面的生产信息，对于提高生产效益、实现企 业的信息化建设具有非常重要的意义。 1 4 研究目标与研究内容 本文以湖南机油泵股份有限公司的加工中心车间为研究背景，以实现数控机 中南大学硕士学位论文第章绪论 床生产过程的质量监控，提高生产效益，保证生产稳定运行为研究目标，对数控 机床生产过程的质量监控进行了详细的调研。 针对现存的问题和缺陷，开发出一套数控设备生产过程质量监控系统，最后 将该系统投入实际运行，并分析和讨论了系统在设计过程中所采用的技术要点以 及实际应用效果，主要进行的研究工作包括以下几个部分： 1 生产线中的各个不同设备独立工作，生产状态信息众多且缺乏有效的集 成，难以及时准确地评估当前的生产状态。为了实现数控设备生产线生产过程的 质量监控，需要设计一种多层次的体系结构。 2 为了采集生产线上的实时数据并上传至车间工控机，需要对生产线中设 备本身的软件进行修改和设定使其可以进行网络数据传输，开发具有历史数据存 储功能数据库，保证数据传输的可靠性，从而为系统提供稳定的数据源。 3 由于生产线中包括多种不同设备，针对某个设备的质量监控难以反映整 个生产线的生产状态，因此需要综合设计出具有生产过程数据显示、生产数据报 表统计、实时与历史趋势显示等功能的质量监控系统，为技术人员和管理人员更 直观更清晰的反映生产全貌。 4 建成数控设备生产过程质量监控系统，经现场调试投入应用，并结合现 场实际运行情况进行可行性论证。 1 5 论文构成 本篇论文的后续章节安排如下： 第二章首先简要介绍了数控机床在机油泵生产中的重要性，分析了目前湖南 机油泵股份有限公司数控机床生产过程所存在的问题，并根据系统需求，提出了 系统实现的三层体系结构，通过分析各层次关系给出了系统所具备的功能。 第三章详细介绍了系统硬件部分的设计，包括工控机的选取和网络的组建。 首先简要分析了工控机的要求与选型，在比较了r s 4 8 5 和r s 2 3 2 通讯技术、光纤 和铜缆等传输设备后，根据实际调研情况，应用串口服务器进行组网。 第四章详细介绍了系统软件部分的设计，从企业的实际需求出发，对系统软 件进行不同层次的研究，进而给出了质量监控系统应用软件的功能结构，将其划 分为设备级、车间级、厂级三个模块，最后详细介绍了各模块的设计过程。 第五章为系统的工业应用，以湖南机油泵股份有限公司的加工中心车间为应 用对象，介绍系统应用后所带来的优点，并针对系统的工业运行结果进行分析。 第六章对全文进行总结，展望了以后可以进行的研究工作。 4 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 2 1概述 第二章系统总体结构 机油泵( o i lp u m p ) 是发动机内部关键部件之一，在发动机工作时负责将油底 壳机油抽出并加压后排向润滑油道，提高机油压力，保证机油在润滑系统内不断 循环。按其工作原理通常分为齿轮式机油泵( 外啮合齿轮式机油泵，内啮合齿轮 式机油泵) 和内啮合转子式机油两种p j 。 齿轮式机油泵由主动轴、主动齿轮、从动轴、从动齿轮、壳体等组成。两个 齿数相同的齿轮相互啮合，装在壳体内，齿轮与壳体的径向和端面间隙很小；主 动轴与主动齿轮键连接，从动齿轮空套在从动轴上。工作时，主动齿轮带动从动 齿轮反向旋转。两齿轮旋转时，充满在齿轮齿槽间的机油沿油泵壳壁由进油腔带 到出油腔，在进油腔一侧由于齿轮脱开啮合以及机油被不断带出而产生真空，使 油底壳内的机油在大气压力作用下经集滤器进入进油腔，而在出油腔一侧由于齿 轮进入啮合和机油被不断带入而产生挤压作用，机油以一定压力被泵出。 转子式机油泵则是利用内外转子压送润滑油，又叫次摆线齿轮泵，主要由内、 外转子，机油泵体及机油泵盖等零件组成。主动的内转子和从动的外转子都装在 机油泵壳体内；内转子有四个凸齿，外转子有五个凹齿。内转子固定在主动轴上， 外转子在油泵壳体内可以自由转动，两者之间有一定的偏心距。工作时，内转子 带动外转子向同一个方向转动，由于两个转子的偏心距和齿形轮廓保证了内外转 子无论转到任何角度，各齿面之间总是线接触，这样内外转子轮齿间便形成了四 个工作腔。而内转子的转速大于外转子的转速( 传动比5 ：4 ) ，当某一工作腔从 进油道转过时，转子脱开啮合，容积逐渐增大，产生真空度，润滑油便从进油道 被吸入。转子继续旋转，润滑油被带到出油道另一侧，这时转子进入啮合，油腔 容积逐渐减小，油压升高，使油从齿间挤出，经出油道送出。 可见，各零部件的质量直接影响到机油泵的性能。 生产时，数控机床将机油泵的零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息 的形式编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺 服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作自动完成零件的加工。技术人 员需要根据机床的生产状态，适时地调整生产任务和加工程序，以保证机床生产 的产品质量，并最大限度提高机床的生产效益。 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 2 2 系统需求分析 面向湖南机油泵股份有限公司的数控设备质量监控系统是根据数控机床生 产工艺的特点、以实现企业的信息化建设和提高企业的经济效益为目的而设计开 发的。 2 2 1 系统现状及问题 湖南机油泵股份有限公司现有四个主要生产车间：加工中心车间、压铸车间、 热处理车间、转子一体盖车间，分布于4 5 万平方米的厂区面积。其中加工中心车 间作为生产核心承担了全厂近7 0 的工作任务，是我们这次项目的重点和难点。 只要解决了加工中心车间的问题，该系统就可以在其他车间推广使用。 加工中心车间为1 号车间，主要有康明斯k m s 、东风i s l 、锡柴6 1 1 0 、玉柴 m 3 4 0 0 、一汽f k 、上汽k 4 k v 6 等六条生产线，分别用于不同型号机油泵工件的 加工生产，每条生产线配套一台加工中心，一台工程师机。车间还安装有一台三 花压力交变测试机和一台气电式电子柱测微仪，分别用于对工件在仿工作环境状 态下的疲劳极限测试和厚度、内径、外径、圆度、平行度、垂直度、同轴度等各 项指标的测试。 原有系统体系结构如图2 1 所示。 ，天耄 ，7 一一i 每举面一、j j 7 一备辱军商一一 画画画 画画 占苦苦鼎凰；占占 图2 - i 原有系统体系结构图 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 通常的工作流程是：工程师收到零件加工任务，在指定的生产线上编制加工 程序，使用工程师机下载到加工中心，之后操作员开机生产，生产完后填写工序 表。生产出来的元件交测试班组送三花压机和气电量仪测试，填写质量测试表格。 车间管理者手工汇总各类表格，统计生产运行情况和生产质量情况，形成报表送 厂领导审阅。 目前生产系统存在的主要问题是： 1 所有数控设备都是分散管理、单机运行，耗费管理成本，浪费资源。 2 加工中心的加工程序文件管理混乱，无工艺流程信息，程序的正确状态 不明，且不易查询。且相关人员责任不明，易变动、丢失甚至导致误操作。这样 一来，加工程序的管理问题成为提高生产效率的瓶颈。 3 各种人工填写的表格多存在遗漏、不规范的现象，无法真实反映生产过 程中各环节的实际情况；手工统计的情况汇总表严重滞后于生产管理的要求，既 不能满足产品质量监控要求，也无法给各级管理人员、领导提供生产决策的参考。 2 2 2 系统设计要求 为了及时、全面的反映加工中心车间的工作状况，需要在现场实时采集设备 的运行状态数据并上传至车间工控机。通过工控机对状态数据的分析，统计出设 备的产能和停机率，并绘制相应图表，以便车间管理人员掌握设备的生产情况， 并根据生产任务完成加工程序的上传、下载功能。为了使企业获得更大的经济利 益，应能根据车间工控机提供的相关数据，对与质量有关的信息进行统计分析， 绘制相应的趋势图，汇总数据，为企业管理人员提供生产情况的总体认识i l 0 。 根据以上分析，为了解决这些问题，系统的设计必须满足以下要求： 1 实时采集并存储数控设备生产信息 获取的现场信息主要包括加工中心数据和性能测试台数据两部分。其中加工 中心的数据主要为数控机床的主轴转速、走刀量值、工序状态( 换台、换刀) 等： 性能测试台的数据主要为设备的型号、转速、压力、流量等。 2 实现加工程序的上传、下载 数控机床的生产由加工程序控制，需要根据生产任务对其进行加工程序的传 输：机床执行的加工程序能上传至车间工控机，以备技术人员查看或修改；机床 需要的加工程序能直接从车间工控机下载。在生产任务不变的情况下，通过在机 床侧将需要下载的程序文件名发送给车间级工控机，再在机床上操作接收程序 键，系统将自动将文件通过网络传送给加工中心。若生产任务发生改变，则由技 术人员在车间工控机上手动选择对应的加工中心和相关程序文件进行下载。 3 统计分析与质量有关的信息并绘制趋势图 7 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 对于加工中心生产过程某些历史数据的统计分析能够反映出历史上某工段 设备的运行状况。例如某天、某班组的生产任务完成情况、设备产能、设备故障 停机率、产品质量控制图表等。通过分析这些数据，并以图表或报表的形式将结 果反馈给技术人员和管理人员，以便有针对性地进行生产调整，提高生产效益。 4 提示和报警功能 当磁盘空间过小时，如不及时进行处理，极有可能造成数据的丢失。操作人 员的误操作，也有可能导致正常的生产受到影响。针对异常情况的实时提醒和报 警有助于操作人员减少误操作并迅速的作出调整乃至加以改善。 5 用户管理功能 为保证软件系统的安全，设置系统登陆界面，用户必须选择用户类型( 普通 用户或密码用户) 方可进入。针对不同的用户，系统设置3 级权限，最高权限只 有一人，可以使用系统的所有功能；二级权限是拥有密码和用户名的技术人员， 可以使用系统的大部分功能；三级权限为普通用户，只具有查看系统数据和图表 的权限。并且，系统将记录登陆用户名和登陆时间，以进一步保证系统的安全性。 其顶层数据流图如图2 2 所示。 设稀饵【j 流水库设备年度统计库 2 3 系统总体结构 图2 - 2 项层数据流图 根据系统的设计要求，需要建立一种适合数控机床生产过程的、多层次的质 量监控系统，具备生产过程状态数据显示、生产质量数据分析与图表显示等功能。 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 23 1 系统体系结构 学圆蚕 系境体系结构图 k 根据企业的实际需求，采用如图2 3 所示递阶系统结构，包括现场设备级监 控层、车间级监控层和厂级监控层。 现场设备层分布在工业现场，以加工中心车间为例，包括康明斯k m s 、东风 i s l 、锡柴6 1 1 0 、玉柴1 1 3 4 0 0 、一汽f k 、上汽k 4 k v 6 等六条生产线，一台三花 压力交变测试机和一台气电式电子柱测微仪，是生产现场工作状态数据传输功能 的实施部分。各类设各通过丁业以太网将各自的工作状态数据按照既定程序向车 间层发送。 车间层主要由车间计算机和工业交换机组成分布在不同的生产车间，完成 生产数据的采集、存储与优化控制功能。车间层通过交换机与现场设备层连接， 获取从现场采集的数据并进行存储。通过对生产数据的分析、统计，将生产状态 以图表方式显示出来并根据现场操作工人的请求，完成加工程序的上传、f 载 功能。 厂层是系统的最高层，包括厂级计算机和工业交换机。厂层通过交换机与车 间层连接，并从车日j 计算机获取与质量相关的数据，进行分析、统计后，最终实 现| 三【趋势图表的形式显示。 232 各层次关系 根据系统体系结构的划分，现场设备层完成现场数据的传输，车间层完成数 一 一_ 瑁 自- 一i 目一 ，。蕊一 垦咄引一 ；：目苦 点由一 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 据的采集、存储、控制命令的生成、生产过程的数据分析、加工程序的传输，厂 层实现生产质量相关数据、设备使用情况等相关数据的分析。 现场设备层与车间层采用工业以太网进行物理连接，网络通信采用t c p i p 协议【1 1 , 1 2 】，使用不同的i p 地址来标示网络中的主机，并采用t c p 方式与不同设 备间实现数据通信，以保证数控机床生产数据传输的可靠性。对于工业质量控制 系统，一方面要维护大量设备状态、质量检查数据，另一方面，要求在一定的时 间内完成相应的加工程序管理任务和质量监控，因此系统设计过程中采用多种方 式采集实时数据，利用数据库保存。车间工控机通过以太网与现场设备相连，实 时获取来自现场的各类数据，存储到对应的数据库中，并按照预定程序自动完成 数据的计算、分析、统计功能。 车间层与厂层之间采用工业以太网进行连接，同样以t c p 协议作为数据传输 协议【1 3 1 。厂层作为客户端，从车间工控机获取数据，并按照质量管理要求进行 分析和统计，实现以产能趋势、停机率趋势、不合格率趋势等图表的方式显示的 功能。 2 4系统功能 结合湖南机油泵股份有限公司数控机床生产现状与系统需求分析，在原有系 统己实现各设备单机管理、但管理分散、数据统计不及时、流程不规范的基础上， 数控设备质量监控系统增添了以下的功能： 1 实时采集数控设备发送的状念信息并进行分类存储。 2 加工程序的上传、下载功能。通过连接车间工控机和现场设备，技术人 员可以直接在车间工控机实现机床加工程序的上传和下载。 3 数控机床生产数据的分析、统计与图表显示功能。通过采集数控机床生 产现场实时数据，以p 图、柱形图、x 图、r 图及数据表等方式显示设备的生产 状况，向技术人员反映数控机床生产的全貌。通过对与质量相关的信息进行统计 分析，系统可同时生成月年度产能趋势图、年度停机率趋势图、不合格品p 图、 不合格率趋势图等，为企业决策提供有力的支持。 4 提示和报警功能。 为防止由于操作失误引起程序出错，设置一些提示信息。例如查看数据时， 未指定查看数据的类型、要读耿性能测试台数据，而这段时间内生产现场的性能 测试台并未开机等等，都将给出相应的提示信息。报警主要包括磁盘报警和加工 中心报警。磁盘报警主要针对磁盘可用空间过小，以提醒用户及时转存数据，以 免数据丢失。加工中心报警则是通过比较产能来达到报警的效果，以防止操作人 员不按要求修改程序。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 5 用户管理功能。 针对不同的用户设置不同的访问、管理权限，并对数据库采取保护措施，采 用分级管理的方法，确保整个质量监控系统的安全和稳定运行。 2 5小结 本章首先介绍了机油泵的工作原理及其组成和数控机床在机油泵生产工艺 中的重要作用。然后结合企业实际情况，分析了目前存在的问题，提出了系统需 求，并在此基础上设计了适合数控设备质量监控的三层递阶系统结构，其中包括 现场设备级监控、车间级监控和厂级监控。最后介绍了系统各层次间的关系以及 系统具备的功能，为系统后续功能设计铺平了道路。 中南大学硕十学位论文第三章系统硬件研究与设计 3 1概述 第三章系统硬件研究与设计 湖南机油泵股份有限公司生产车间目前对数控设备的管理基本都是每台设 备单独运行，生产任务调整过程中对加工程序的上传、下载都是由技术人员携工 控机现场连接设备进行传输，相关生产数据均由人工填写，且因管理不规范存在 数据遗漏现象，统计速度也严重滞后，无法给管理人员提供准确的参考。因此， 在系统的设计中，首要解决生产区与管理区的互联问题。 目前公司所使用的设备中，加工中心e x c e l 6 1 0 的操作系统是f a n i7 cs e r i e s o m ，这是f a 7 c 早期的一个产品，且公司在购买时未开通网络接口，故设计 初期就这种机型与f a n u c 的工程师进行了广泛的交流和接触，最终调出其内部 另一套指令，使其可以进行网络数据传输；选用d z l 3 d 型气电量仪，并由厂家 中原量仪修改程序，使其能完全满足系统要求：三花压机采用的是工控机，由三 花公司对原本非联网要求的软件进行了免费升级，使其具备了网络连接的要求。 通过和设备生产厂家的沟通、协作，最终使全部设备均能支持网络传输。 3 2 监控系统与通信网络的要求与设计 质量监控系统首先需要将分散在车间各处的数控机床、量仪、测试台等设备 与车间管理工控机连接起来，实现集中管理；然后再将各个车间的工控机与厂办 管理中心的主服务器连接成一个大的网络。 3 2 1 车间工控机的要求与选型 加工中心车间室内环境温度为一1 0 一+ 5 0 ，有弱振动和较弱电磁辐射，一 般的商用计算机是不可能在这么恶劣的环境条件下长时间工作的，只能使用工控 机。 工控机是工业控制机的简称，是对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进 行测量与控制用的计算机。工业控制机由计算机基本系统和过程i 0 系统组成， 其中，计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与c r t 、 磁盘机、打印机等通用外设组成，过程i o 系统由输入信号调理板和a d 转换器 组成1 1 4 j 。 工控机是专门为工业现场而设计的计算机，由于工、止现场一般具有震动强 1 2 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件研究与设计 烈，灰尘多，电磁场力干扰高等特点，且一般工厂均是3 6 5 天连续作业，机器设 备一般不停机。因此，工控机与普通计算机相比具有以下特点：机箱有较高的防 磁、防尘、防冲击的能力；采用稳定性、可靠性更高的工业级主控板和元件：机 箱内的电源有较强的抗干扰能力；拥有连续长时间工作的能力；价格比商用机高 n 6 】 o 综合湖南机油泵股份有限公司加工中心车间的实际情况，选用国内最著名品 牌一一研华工控机作为本系统的车间工控机，其具体配置如下： 主频：不低于2g h z ； 内存：不低于5 1 2 肥； 硬盘：不低于8 0g ( i d e ) ； 显示器：1 7 英寸c r t 显示器； 接口：1 0 1 0 0 自适应网卡口、u s b 接口、r s 一2 3 2 串口等常用接口； 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l ( s p 4 ) 应用软件：m i c r o s o f to f f i c e2 0 0 3 3 2 2 数控设备联网方式的比较与选择 加工中心车间一共有四类设备共计1 3 台套，分别是：6 台加工中心、2 台气 电量仪、1 台三花压机、4 套新增的性能测试台。其中加工中心和气电量仪的通 讯接口为r s 一2 3 2 - c 接口，三花压机和性能测试台为i o i o o mb a s e t 接口。在生 产设备中有半数以上使用的r s - 2 3 2 - c 通讯接口。 1 r s - 2 3 2 - c 接口标准 r s - 2 3 2 一c 接口，又称e i ar s - 2 3 2 一c ( 简称r s - 2 3 2 ) ，是目前最常用的一种 串行通讯接口 t 5 】。它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定 的用于串行通讯的标准，全名是“数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 之间串行二进制数据交换接口技术标准”，r s 是英文“推荐标准 的缩写，2 3 2 为标识号，c 表示修改次数。该标准被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯 距离的单端标准，采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯【l 6 1 。 ( 1 ) 接口的信号内容 规定设有2 5 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，采用一个2 5 个脚 的d b 2 5 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定。最常用的9 条引线 的信号内容是：卜d c d 、2 - r x d 、3 - t x d 、4 - d t r 、5 - g n d 、6 - d s r 、7 - r t s 、8 - c t s 、 9 - r i 。 ( 2 ) 接口的电气特性 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件研究与设计 在r s - 2 3 2 一c 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即：逻辑”l ”为一3 到一1 5 v 。逻辑”0 ”为+ 3n + 1 5 v 。收、发端的数据信号的电平是相对于信号地的， 如从d t e 设备发出的数据在使用d b 2 5 连接器时是2 脚相对7 脚( 信号地) 的电 平。典型的r s 一2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输 出正电平在+ 5 + 1 5 v 电平，负电平在一5 一1 5 v 电平，当无数据传输时，线上为 t t l ，从开始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s - 2 3 2 电平再返回t t l 电平。接收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与一3 一1 2 v ，噪声容限为2 v 。 ( 3 ) 接口的物理结构 r s 一2 3 2 一c 接口连接器使用型号为d b 一2 5 的2 5 芯插头座，通常插头在d c e 端， 插座在d t e 端。实际上r s 一2 3 2 一c 的2 5 条引线中有许多是很少使用的，在多数情 况下主要使用主通道，对于一般双工通信只使用3 9 条引线，所以可以采用型 号为d b 一9 的9 芯插头座，传输线则采用屏蔽双绞线。例如一些设备与p c 机连接 的r s 一2 3 2 一c 接口，因为不使用对方的传送控制信号，所以只需三条接口线，即 “发送数据t x d 、“接收数据r x d 和“信号地g n d ”。 ( 4 ) 传输速率与传输电缆长度 r s 一2 3 2 一c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、 1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。由于驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载， 故通信距离将受此电容限制：采用1 5 0 p f m 的通信电缆时，在要求码元畸变小于 4 的情况下，最大通信距离为1 5 m ；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增 加。在实际应用中，约有9 9 的用户是按码元畸变1 0 一2 0 的范围工作的，所以实 际使用中的最大距离会远超过1 5 m 。但由于r s - 2 3 2 属单端信号传送，发送电平 与接收电平的差仅为2 v 至3 v 左右，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题， 再加上双绞线上的分布电容影响，因此一般也只适合于2 0 m 以内的本地设备之间 的通信，最高速率限制为2 0 k b p s 。 2 数控设备联网方式比较 多个r s 一2 3 2 一c 接口设备集中与计算机通信，通常采用的方式主要有以下三 种：r s - 4 8 5 总线、串口扩展卡、串口通讯服务烈r 7 1 。 ( 1 ) r s 一4 8 5 总线 r s 一4 8 5 是e i a 针对r s 一2 3 2 一c 的不足制定的接口标准，它的电气特性和 r s 一2 3 2 大不一样，是用缆线两端的电压差值来表示传递信号：逻辑“1 ”以两线 间的电压差为+ 2 + 6 v 表示；逻辑“o ”以两线间的电压差为一2 - - 6 v 表示。 接口信号电平比r s 一2 3 2 一c 降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接。r s 一4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收 器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。r s - 4 8 5 接口可以提供高 1 4 中南大学硕士学位论文 第三章系统硬件研究与设计 速的数据通信速率：1 0 米时3 5 m b p s ，1 2 0 0 米时l o o k b p s ；最大传输距离标准值 为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米。此外r s - 2 3 2 - c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力；而r s - 4 8 5 接口在总线上允许连接多达1 2 8 个收发器l l 引。 所以当要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用r s 一4 8 5 串行总线标准 组成半双工网络。由于采用平衡发送和差分接收方式，因此具有抑制共模干扰的 能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能 在千米以外得到恢复。但是半双工工作方式下，任何时刻只能有一点处于发送状 态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。r s 一4 8 5 用于多点互连时，网络拓 扑一般采用终端匹配的总线型结构，采用一条总线将各个节点串接起来，不支持 环形或星形网络。这样可以省掉许多信号线，将设备节点联网构成分布式系统， 允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 r s - 4 8 5 总线的缺点一是其总线限制长度一般在1 2 0 0 米左右，可布线覆盖面 积十分有限，一般为几百平方米。有时为了拓宽传输距离不得不采用中继器，加 大了布线过程中出现问题的可能性【1 8 】。通常若任意一个节点出现故障，都会导 致系统整体或局部的瘫痪，并且难以判断，而要在众多的联网设备中查找故障所 在，不仅加大了工作量，也增加了维护成本。二是r s 一4 8 5 总线的布线比较复杂， 并且与总线的长短和设备的挂接数目有很大关系，因此在大型系统中显得尤为突 出，绝大部分工程费用和时间都浪费在这个环节。三是地理环境对r s 一4 8 5 总线 也有很大的影响，在相距一定距离的设备之间总是存在地电位不平衡的问题，有 时即使距离很近问题依然存在。这种问题在老式布线结构中很难综合解决，甚至 造成